太阳能热水器冬季抽瘪原因分析和实验研究

■ 张景珊 赵红利 任伟 王国伟 尧克光

（1.太阳雨太阳能有限公司研发中心；2.洛阳质量技术监督检验测试中心）

一 引言

太阳能热水器在家电下乡的促进下，其数量(这里指的是紧凑式太阳能热水器)有了突飞猛进的发展。伴随着太阳能热水器的普及，其相关的各种故障和问题出现的次数也越来越多，且备受用户、厂家、经销商等的关注，尤其是发生在北方寒冷地区的水箱抽瘪问题。

图1 水箱抽瘪实例

太阳能热水器抽瘪事故的典型实例如图1所示，其水箱内胆在外界负压作用下向内部塌陷，有时还会导致外壳变形扭曲。这类抽瘪事件大部分集中在入冬初期和开春前爆发，主要集中在配有控制仪控温使用的太阳能热水器上。该事故直接导致热水器整机报废，是目前众多问题中最为严重的故障。尽管数据表明太阳能热水器抽瘪的概率不大，但这类导致热水器整机报废的事故，对当事经销商和品牌的经济、名誉都带来极为恶劣的影响。因此分析水箱抽瘪的原因，研究合理的防抽瘪结构，进而避免这类事故的发生是一项既具实际意义又具挑战性的课题。

笔者走访了东北地区众多太阳能热水器用户，统计并分析这类抽瘪现象发生的频率和规律。从目前各太阳能热水器企业在东北地区的售后情况看，所有太阳能品牌都普遍存在水箱抽瘪现象。根据某太阳能品牌的统计数据，2010年该类太阳能热水器共计抽瘪75台，抽瘪时间主要集中在入冬初期的11月份到开春的4月份，其中2～4月份发生的概率更高；在区域上，辽宁省出现的频率最高；从比例上看，太阳能热水器抽瘪的几率小于0.1%。

二 太阳能热水器冬季抽瘪原因分析

一般来讲，紧凑式太阳能热水器尽管为非承压式，但其通过滚筋、端盖增强等方式加强内胆筒体的强度，使水箱能抗拒较大压力，一般情况下的压力是无法造成其压塌变形事故的。发生如此严重的抽瘪事故，应该是由内外大气压力差造成的。而要产生压力差必然和下排气管(或者侧排气管)的部分或全部被堵塞有关，导致用水时热水流走，而外部大气来不及补气，从而造成内部的负压，使内胆被压扁变形，最终抽瘪。

热水器上的排气管主要起三个作用：上水时，内胆里的空气通过排气管排出；用水时，通过排气管将箱外空气补入水箱内以平衡大气压；水箱高温时，高温水蒸气排出水箱外。普通直插式真空管太阳能热水器为非承压结构，如果排气管由于某种意外阻塞导致上述三项功能不能实现，会使水箱承受正压(负压)，可能出现水箱抽瘪或者涨坏的现象。

笔者通过使用一套模拟实际用水的实验装置，来分析内外压力差或负压的大小，模拟实验高度差为3～22m。装置放置在楼层的不同高度，其中水箱为承压式，壁厚1.2mm，能够抵抗0.6MPa压力，注满水后在其一管口接压力表，另一用水管口接编制软管直通楼下。

在楼底打开用水阀门，模拟在用水过程中突然缩小通气阀门，则即使放置于2层，承压水箱在瞬间也会变形抽瘪，且抽瘪速度极快，实验者几乎来不及拍照和观察压力表数据。根据该实验可知，非承压的直插式太阳能热水器一旦出现排气管通气不畅的现象，必会导致水箱抽瘪事故发生。

同时分析图1可知，水箱抽瘪是由其塑料质的排气管下折导致排气管阻塞造成的。通过统计分析，造成排气管堵塞的原因一般有以下情况：

(1) 冬季高寒地区夜间温度太低，出现结霜现象。如图2所示，结霜后水箱内冷凝水珠不能正常排出，被霜体截流形成冻体附着在排气管壁上，达到一定厚度就会堵塞排气管。特别是对于使用控制仪控温的太阳能热水器，当水温设置较高时，水汽由侧排气排出，遇见冷空气结冰后极易出现冻堵现象，且因排水口径小，其管口更容易冻堵。

(2) 排气管安装不正确。图2中的安装方式在下雪时，雪易积聚到管口处形成堆积，进而冻堵，造成上述故障。在北方地区，即使是常规正确的安装方式，当侧排气管插有温度探头线等物体时，因管口空隙较小，在连续阴天下雪，也易造成排气管冻堵。

图2 排气口易结霜堵塞的结构

(3) 用户私自改装，使用侧排气管或下排气管上水，破坏了排气通畅。这种现象较普遍，特别是对于无自来水的农村地区，许多用户使用自制的水箱补水。其在改装过程中极易出现这种事故。

(4) 厂家或安装人员的疏忽，如安装完毕没有将塑料护丝拆下，内胆集料造成保温材料堵塞排气口，安装时落入杂物等。

(5) 如果溢流管使用的是软性材料软管，在使用中会遇热后变瘪形成堵塞。

三 太阳能热水器上排气防抽瘪阀

通过分析，可以看出使用控制仪控温的太阳能热水器更易出现抽瘪，但高寒地区冬季如果不使用控制仪和辅助能源，太阳能热水器又不能正常工作，因此许多研究人员在思考解决这一对矛盾的同时，探索着新的方法。

其中最为常用的方法是对管路添加电伴热带。正确合理的电热带布置，能保证正确的解冻顺序，对防治管路冻堵效果极好，但对侧排气或下排气引起的管口冻堵、阻塞等现象不起作用。

对于上述情况，有些科研工作者开发出一定程度上能减少热水器抽瘪现象的上排气阀，装置如图3所示。其类似于一般的防雨帽，空心杆内是和大气连接的光滑通道。该装置安置在热水器水箱正上方，平时运行时除了起排气补气作用外，其保护罩能在寒冷冬季起到的防止排气口冻堵的效果，进而达到防抽瘪的目的。目前，该类装置已被许多三、四线厂家推广应用。

图3 几种上排气阀产品

就调查的结果来看，目前这类上排气防抽瘪阀在高纬度地区应用的效果不是很好。该类上排气结构比侧排气以及下排气更易造成热量的流失，导致热水器热损增大，保温性能下降。这是该类简易上排气阀的最大缺点。

对在东北等高纬度地区的太阳能热水器用户来说，为保证正常用水，控制仪的温度普遍设置较高(一般＞60℃)，因此箱体内较高温度的水汽通过上排气阀排出，使被风面的霜雪融化，进而又在其附近凝结成冰，易导致霜雪积累，堵封上排气阀体，使其失去补气作用。图4是笔者在东北进行售后服务过程中发现的一例典型案例，其水箱顶部出现明显的白色鼓包，侧排气也已凝结成冰溜。该白色鼓包正是霜雪凝固并包裹的上排气阀。所以该类简单的上排气阀，在冬季防止排气管口冻堵的现象并不理想。

图4 上排气被霜雪包裹图片

四 新型上排气呼吸阀实验

新型上排气呼吸阀的原理图如图5所示，能起到上述上排气阀的通气、补气作用。呼吸膜片由软胶片和弹簧钢复合组成，具一定的弹性，因此该呼吸结构还能在仅用水时打开进行补气，平时则处于关闭状态，从而减少热气外泄，进而大幅度减少热量散失，并杜绝冬季霜雪在排气口周围融化并冻堵的现象。

对安装有该类新型上排气呼吸阀的热水器和常规使用下排气及侧排气结果的热水器进行对比热性能测试，发现该类热水器的热损系数和常规产品基本相当，未造成热量明显损失。

图5 新型上排气呼吸阀示意图

为进一步证实该类上排气阀的防抽瘪效果，在大型冷库内进行低温冷冻实验。在冷库放置安装一台有该种新型上排气呼吸阀的热水器，模拟北方高寒天气状况，实验温度为−30℃，使用电加热保持水温在50℃以上。每8h观察一次排气阀周围水汽凝结情况。经过一周不间断持续观察，未发现热水器顶部有水汽凝结冻堵现象，热水器运作正常。

为进一步考验上排气防抽瘪阀在实际环境中的防抽瘪效果。在东北地区选取典型区域进行为期两年的实际应用实验，在黑龙江佳木斯汤原县先后安装了30台仅使用该新型上排气呼吸阀的产品。经过两年多的运行，均无水箱抽瘪现象。

五 结论

根据以上分析可知，太阳能热水器抽瘪主要是由热气冻结导致的侧排气管堵塞引起的，使用合适的上排气结构能有效抑制该类现象的发生。新型上排气呼吸阀是一款能成功抑制抽瘪事故的产品。

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